在嵌入式实时操作系统uC/0SII上移植实现LwIP这套TCP/IP协议栈

内容摘要：结合ez80和ARM7两种系统上的具体实现，说明了如何在嵌入式实时操作系统uC/0SII上移植实现LwIP这套TCP/IP协议栈，使uC/0S II成为支持网络的RTOS。

1 引言

随着嵌入式系统与网络的日益结合，在嵌入式实时操作系统中引入TCP/IP协议栈，以支持嵌入式设备接入网络，成为嵌入式领域重要的研究方向。uC/0S II是近年来发展迅速的一个开放源码实时操作系统，但它只是一个实时的任务调度及通信内核，缺少对外围设备和接口的支持，如没有文件系统、网络协议、图形界面。笔者在多个嵌入式项目的开发过程中，以开源TCP/IP协议栈LwIP为基础，给uC/0S II加上了网络支持。下面就以uC/0S II +LwIP分别在8位MCU ez80和32位MCU ARM7TDMI上的实现为例进行说明。

需要说明的是，笔者使用的ez80系统是Zilog公司的ez80190开发板，自带网络芯片。而ARM7系统是使用笔者参与开发的Skyeye，一个基于GDB的ARM7TDMI指令级软件仿真器。Skyeye小组最近为Skyeye加上了软件模拟的Ne2k兼容网络芯片，可以运行带网络支持的μcLinux和uC/0S II。以下的全部相关程序和代码都可以在Skyeye网站(hpclab.cs.tsinghua.edu.cn/~skyeye/)下载。

2 基于uC/0S II的网络平台概述

嵌入式操作系统uC/0S II是一个公开源代码的占先式多任务的微内核RTOS，其性能和安全性可以与商业产品竞争。uC/0S II的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰、明了，注释详尽，组织有条理，可移植性好。可裁剪，可固化。内核属于抢占式，最多可以管理60个任务。uC/0S II自1992年的第一版(uC/0S)以来已经有好几百个应用，是一个经实践证明好用且稳定可靠的内核。目前国内对uC/0S II的研究和应用都很多。

TCP/IP是Internet的基本协议，以其实用性、高效性已经成为事实上的工业标准。嵌入式设备要与Internet网络直接交换信息，就必须支持TCP/IP协议。目前嵌入式设备上TCP/IP方案有很多种，但面向低端应用的开源嵌入式网络平台还很少见。

uC/0S II是一个富有开放色彩的RTOS，只要买一本书就可获得源代码，对学校和教育的使用完全免费，商业应用的费用相对也很低。但是它目前的一些第三方TCP/IP支持都是完全商业化的，用户需要付费才能获得，很少给出源代码，这影响了uC/0S II的研究和推广。通过把开放源代码的TCP/IP协议栈LwIP移植到uC/0S II上来，就获得了一套可免费研究、学习的嵌入式网络软件平台。

3 开源TCP/IP协议栈LwIP简介

LwIP是瑞士计算机科学院(Swedish InSTitute of Computer Science)的Adam Dunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。

LwIP的特性如下：

(1) 支持多网络接口下的IP转发

(2) 支持ICMP协议

(3) 包括实验性扩展的的UDP(用户数据报协议)

(4) 包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP(传输控制协议)

(5) 提供专门的内部回调接口(Raw API)用于提高应用程序性能

(6) 可选择的Berkeley接口API(多线程情况下)

我们目前使用的是LwIP的最新稳定版V0.5.3。有关LwIP的详细内容，可以参考其代码和网站上的文档。

4 LwIP在uC/0S II下的实现

4.1 概述

LwIP协议栈在设计时就考虑到了将来的移植问题，因此把所有与硬件、OS、编译器相关的部份独立出来，放在/SRC/arch目录下。因此LwIP在uC/0S II上的实现就是修改这个目录下的文件，其它的文件一般不应该修改。下面分几部份分别说明相应文件的实现原理和过程。具体的代码限于篇幅没有给出，Skyeye网站上有完整的代码和说明。

4.2 与CPU或编译器相关的include文件

/src/arch/include/arch目录下CC.h、CPU.h、perf.h中有一些与CPU或编译器相关的定义，如数据长度，字的高低位顺序等。这应该与用户实现uC/0S II时定义的数据长度等参数是一致的。

#define BYTE_ORDER LITTLE_ENDIAN //ARM7默认为小端存储系统

//数据类型长度的定义

typedef unsigned char u8_t;

typedef signed char s8_t;

typedef unsigned short u16_t;

typedef signed short s16_t;

typedef unsigned int u32_t;

typedef signed int s32_t;

此外还有一点：一般情况下C语言的结构体struct是4字节对齐的，但是在处理数据包的时候，LwIP使用的是通过结构体中不同数据的长度来读取相应的数据的，所以，一定要在定义struct的时候使用_PACked关键字，让编译器放弃struct的字节对齐。LwIP也考虑到了这个问题，所以，在它的结构体定义中有几个PACKED_FIELD_xxx宏，默认的时候这几个宏都是空的，可以在移植的时候添加不同的编译器所对应的_packed关键字。比如在Skyeye(ARM7)上对应gcc编译器的定义：

#define PACK_STRUCT_FIELD(x) x __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_STRUCT __attribute__((packed))

#define PACK_STRUCT_BEGIN

#define PACK_STRUCT_END

4.3 sys_arch操作系统相关部份

sys_arch.[ch]中的内容是与OS相关的一些结构和函数，主要可以分为四个部份：

(1) sys_sem_t 信号量

LwIP中需要使用信号量通信，所以在sys_arch中应实现信号量结构体和处理函数：

struct sys_sem_t

sys_sem_new() //创建一个信号量结构

sys_ sem _free() //释放一个信号量结构

sys_ sem _signal() //发送信号量

sys_ arch_sem _wait() //请求信号量

由于uC/0SII已经实现了信号量OS_EVENT的各种操作，并且功能和LwIP上面几个函数的目的功能是完全一样的，所以只要把uC/0SII的函数重新包装成上面的函数，就可以直接使用了。

(2) sys_mbox_t 消息

LwIP使用消息队列来缓冲、传递数据报文，因此要在sys_arch中实现消息队列结构sys_mbox_t，以及相应的操作函数：

sys_mbox_new() //创建一个消息队列

sys_mbox_free() //释放一个消息队列

sys_mbox_post() //向消息队列发送消息

sys_arch_mbox_fetch() //从消息队列中获取消息

uC/0SII同样实现了消息队列结构OSQ及其操作，但是uC/0SII没有对消息队列中的消息进行管理，因此不能直接使用，必须在uC/0SII的基础上重新实现。为了实现对消息的管理，我们定义了以下结构：

typedef struct {

OS_EVENT* pQ;

void* pvQEntries[MAX_QUEUE_ENTRIES];

} sys_mbox_t;

在以上结构中，包括OS_EVENT类型的队列指针(pQ)和队列内的消息(pvQEntries)两部分，对队列本身的管理利用uC/0SII自己的OSQ操作完成，然后使用uC/0SII中的内存管理模块实现对消息的创建、使用、删除回收，两部分综合起来形成了LwIP的消息队列功能。

(3) sys_arch_timeout 函数

LwIP中每个与外界网络连接的线程都有自己的timeout属性，即等待超时时间。这个属性表现为每个线程都对应一个sys_timeout结构体队列，包括这个线程的timeout时间长度，以及超时后应调用的timeout函数，该函数会做一些释放连接，回收资源的工作。如果一个线程对应的sys_timeout为空(NULL)，说明该线程对连接做永久的等待。

timeout结构体已经由LwIP自己在sys.h中定义好了，而且对结构体队列的数据操作也由LwIP负责，我们所要实现的是如下函数：

struct sys_timeouts * sys_arch_timeouts(void)

这个函数的功能是返回目前正处于运行态的线程所对应的timeout队列指针。timeout队列属于线程的属性，因此是OS相关的函数，只能由用户实现。

(4) sys_thread_new 创建新线程

LwIP可以是单线程运行，即只有一个tcpip线程(tcpip_thread)，负责处理所有的tcp/ucp连接，各种网络程序都通过tcpip线程与网络交互。但LwIP也可以多线程运行，以提高效率，降低编程复杂度。这时就需要用户实现创建新线程的函数：

void sys_thread_new(void (* thread)(void *arg), void *arg);

在uC/0S II中，没有线程(thread)的概念，只有任务(Task)。它已经提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate，因此只要把OSTaskCreate封装一下，就可以实现sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并没有uC/0S II中优先级的概念，实现时要由用户事先为LwIP中创建的线程分配好优先级。

4.4 lib_arch中库函数的实现

LwIP协议栈中用到了8个外部函数，这些函数通常与用户使用的系统或编